CN102997964B - 一种土壤多参数传感测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤多参数传感测量系统，其传感器包括探头电路和由PCB板固定的中间不锈钢管和周边不锈钢管；数据采集处理单元为-数据采集处理单元；电源部分为电源电路，包含热源恒流源和系统稳压源，系统稳压源为整个系统提供电源。本发明能同时进行土壤多个物理参数的数据采集，有效解决了土壤物理中无法同点测量的难题。同时由于采用弥散频率法进行土壤含水量测量，能有效的减少因土壤温度、含盐量等因素造成的土壤含水量测量干扰，拓宽了传感器的使用范围，提高了土壤含水量的测量精度。传感器头使用特殊设计的PCB板，有效解决了探头电路与探针的连接匹配，减少了微波反射值，提高了测量精度，同时还利于传感器的维修和探针更换。

Description

一种土壤多参数传感测量系统

技术领域

本发明涉及土壤物理多参数采集传感器的设计和应用技术领域，具体涉及一种通过土热参数测量技术和频域反射技术进行土壤温度、体积含水量、热容量、导热率、蒸发量、土壤水饱和度、土壤孔隙率等物理参数同时同地采集的传感器。

背景技术

土壤是地球岩石圈表面的疏松表层，是陆生植物生活的基质。它提供了植物生活必需的营养和水分，是影响植物的一个重要生态因子，是生态系统中物质与能量交换的重要场所。作为地球生态系统的重要母体，对土壤物理参数的测量和研究是人们生活和生产顺利进行的重要保障，它对农业生产、水文水利、气象、自然地理、水土保持和环境保护等都有着重要的应用价值。

长期以来，为了测量土壤的不同物理参数，人们使用了很多设备和技术。这些技术只能对一种或两种土壤物理参数进行测量，如果对同一点土壤进行多种物理参数信息分析时就遇到了困难，因为任何一个物理参数的先行测量都会扰动该点土壤而造成后行数据测量条件的干扰。若在该点附近测量又无法进行严格的数据比较，因此给土壤物理参数测量带来困难。同时，一些测量技术采用土壤采样后的实验室方法进行，土壤采样不但会扰动土壤，而且无法实现测量数据的现场化和自动化，因此寻找一种对同一被测点的土壤含水量、热容量、导热率、蒸发量、土壤水饱和度等重要物理参数进行同时测量的设备，对土壤物理研究意义重大。

发明内容

为了同时进行几个重要土壤物理参数的同点测量，实现土壤物理参数的采集自动化，本发明利用土热测量原理和土壤介电频域反射测量技术，实现了土壤物理重要参数中土壤温度、体积含水量、土壤介电常数、热容量、导热率、蒸发量、土壤水饱和度、土壤孔隙率的“同时同地”、多参数、现场化、自动化测量。

本发明实施例是这样实现的，一种土壤多参数传感测量系统，所述传感器测量系统包括：

数据采集处理单元，对传感器信号进行采集和存储，同时通过计算模型进行土壤多参数的测算、存储和数据显示；其无线传输电路可完成传感器的遥测和遥信；

传感器，包括探头电路和由PCB板固定的中间不锈钢管和周边不锈钢管；不锈钢管部分组成近似同轴线系统，并与土壤共同形成被测体；探头电路负责电磁信号的产生和反射信号处理，进行土壤温度和复阻抗的测量，其接口电路可与数据采集处理单元构成通信；

电源电路，包含热源恒流源和系统稳压源，其中热源恒流源为电热丝提供恒流电源，系统稳压源为整个系统提供电源。

进一步，在周边不锈钢管内嵌有热电偶，中间不锈钢管中嵌有热电偶和电热丝；用环氧树脂将中间不锈钢管与PCB板进行绝缘，并起到固定中间不锈钢管的作用；电热丝填充中间不锈钢管整个长度，热电偶末端设置在中间不锈钢管和周边不锈钢管的中间位置。

进一步，传感器探针布置方式为：中间不锈钢管的半径为0.73mm，周边不锈钢管的半径为0.6mm，布置在半径为6mm的圆上。

进一步，通过探头电路产生扫频频率，探头电路测量出传感器与土壤所形成的测体的弥散频率，由弥散频率计算土壤含水量。

进一步，通过电热丝和热电偶组成土热参数测量部分。

进一步，通过土壤含水量、热特性数据测量，多参数传感器测量系统可根据土壤水热理论自行进行土壤导热率、蒸发量、水饱和度、孔隙率等参数计算和计量。

进一步，数据采集处理单元有计算机接口和基于无线的数据传输功能，数据采集处理单元将处理和采集的数据送入计算机，计算机还可进行进一步分析和运算；数据采集处理单元含有flash存储器，能存储至少1周的数据值，系统可以根据需要进行存储容量的扩展。

本发明提供的土壤物理多参数传感器测量系统，能同时进行土壤多个物理参数的数据采集，有效解决了土壤物理中无法同点测量的难题。同时由于采用弥散频率法进行土壤含水量测量，能有效的减少因土壤温度、含盐量等因素造成的土壤含水量测量干扰，拓宽了传感器的使用范围，提高了土壤含水量的测量精度。传感器头使用特殊设计的PCB板，很好解决了探头电路与探针的连接匹配，减少了微波反射，提高了测量精度，同时还利于传感器的维修和探针更换。本发明适用于土壤物理参数测量、农田灌溉节水管理、植物生长监测等各个领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的传感器测量系统示意图；

图2是本发明实施例提供的传感器探针(钢管)布置图。

图中：1、数据采集处理单元；2、探头电路；3、PCB板；4、热电偶；5、中间不锈钢管；6、周边不锈钢管；7、电热丝；8、环氧树脂；9、传感器保护壳；10、数据传输线；11、电源电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的土壤多参数传感测量系统的结构。该传感器测量系统结构如下：

数据采集处理单元1，对传感器信号进行采集和存储，同时通过计算模型进行土壤多参数的测算、存储和数据显示；其无线传输电路可完成传感器的遥测和遥信；

传感器，包括探头电路2和由PCB板3固定的中间不锈钢管和周边不锈钢管；不锈钢管部分组成近似同轴线系统，并与土壤共同形成被测体；探头电路负责电磁信号的产生和反射信号处理，进行土壤温度和复阻抗的测量，其接口电路可与数据采集处理单元构成通信；

电源电路11，包含热源恒流源和系统稳压源，其中热源恒流源为电热丝提供恒流电源，系统稳压源为整个系统提供电源。

-数据采集处理单元1通过数据传输线10与传感器相连；

电源电路11与传感器相连；

探头电路2和PCB板3相连；

中间不锈钢管5和周边不锈钢管6安装在PCB板3上；

周边不锈钢管6内嵌有热电偶4；

中间不锈钢管5中嵌有热电偶4和电热丝7；

中间不锈钢管5与PCB板3之间设有环氧树脂8；

传感器保护壳9安装在传感器的外部；

本发明实施例提供的土壤物理多参数传感器测量系统包含数据采集处理、电源和传感器三部分组成。数据采集处理单元为-数据采集处理单元1；电源部分为电源电路11，它包含热源恒流源和系统稳压源，其中热源稳压源为电热丝7提供恒流电源，系统稳压源为整个系统提供电源；传感器包括探头电路2和由PCB板3固定的中间不锈钢管5和周边不锈钢管6，中间不锈钢管5和周边不锈钢管6在PCB板3中的布局见图2-传感器探针布置图。本发明共有7种布局方案，图1中以7针方案作为示例。在周边不锈钢管6内嵌有热电偶4，中间不锈钢管5中嵌有热电偶4和电热丝7。用环氧树脂8将中间不锈钢管5与PCB板3进行绝缘，并起到固定中间不锈钢管5的作用。电热丝7填充中间不锈钢管5整个长度，热电偶4末端设置在中间不锈钢管5和周边不锈钢管6的中间位置。

图2为传感器探针(钢管)布置图。中间不锈钢管5的半径为0.73mm，周边不锈钢管6的半径为0.6mm，布置在半径为6mm的圆上，按照方案不同，其在圆周上等分布置，其结构如图2所示。探针越多，其传感器抗干扰能力越强，但插入土壤越不方便。根据测量需要，可以选择不同的传感器设计方案。

本发明通过探头电路2产生扫频频率，探头电路2测量出传感器与土壤所形成的试样的弥散频率，由弥散频率计算土壤含水量。弥散频率仅和土壤含水量有关，土壤含盐量和温度对土壤含水量测量影响很小。

本发明通过电热丝7和热电偶4组成土热参数测量部分。由此测量出土壤温度的变化情况，并以此进行热容量、导热率和水分蒸发量值的自动计算。由土壤热容量和含水量还可推算土壤容重，并以此得出通气孔度和土壤饱和度等值。以此实现了土壤物理重要参数中土壤温度、体积含水量、土壤介电常数、热容量、导热率、蒸发量、土壤水饱和度、土壤孔隙率的“同点”、多参数、现场化、自动化测量。

-数据采集处理单元1有计算机接口和基于无线的数据传输功能，-数据采集处理单元1将处理和采集的数据送入计算机，还可以进行进一步分析和运算。-数据采集处理单元1含有flash存储器，能存储至少1周的数据值(系统可以根据需要进行存储容量的扩展)。

本发明采用频率反射技术和土热测量技术的结合，实现同一测量点的多物理参数测量，这对土壤物理具有重要的应用价值。本发明在土壤水分测量中首次提出的弥散频率法能有效提高测量精度和传感器抗干扰能力，有效提高了土壤水分测量的自动化水平。本发明具有体积小、测量精度高、成本低等特点，适用于田间、温室、实验室及家庭植物等多种领域参数测量。

本发明实施例提供的土壤物理多参数传感器测量系统，能同时进行土壤多个物理参数的数据采集，有效解决了土壤物理中无法同点测量的难题。同时由于采用弥散频率法进行土壤含水量测量，能有效的减少因土壤温度、含盐量等因素造成的土壤含水量测量干扰，拓宽了传感器的使用范围，提高了土壤含水量的测量精度。传感器头使用特殊设计的PCB板3，有效解决了探头电路与探针的连接匹配，减少了微波反射值，提高了测量精度，同时还利于传感器的维修和探针更换。本发明适用于土壤物理参数测量、农田灌溉节水管理、植物生长监测等各个领域。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种土壤多参数传感测量系统，其特征在于，所述传感器测量系统包括：

数据采集处理单元，对传感器信号进行采集和存储，同时通过计算模型进行土壤多参数的测算、存储和数据显示；其无线传输电路可完成传感器的遥测和遥信；

传感器，包括探头电路和由PCB板固定的中间不锈钢管和周边不锈钢管；不锈钢管部分组成近似同轴线系统，并与土壤共同形成被测体；探头电路负责电磁信号的产生和反射信号处理，进行土壤温度和复阻抗的测量，其接口电路可与数据采集处理单元构成通信；

电源电路，包含热源恒流源和系统稳压源，其中热源恒流源为电热丝提供恒流电源，系统稳压源为整个系统提供电源；

在周边不锈钢管内嵌有热电偶，中间不锈钢管中嵌有热电偶和电热丝；用环氧树脂将中间不锈钢管与PCB板进行绝缘，并起到固定中间不锈钢管的作用；电热丝填充中间不锈钢管整个长度，热电偶末端设置在中间不锈钢管和周边不锈钢管的中间位置；

传感器探针布置方式为：中间不锈钢管的半径为0.73mm，周边不锈钢管的半径为0.6mm，布置在半径为6mm的圆上；

通过探头电路产生扫频频率，探头电路测量出传感器与土壤所形成的测体的弥散频率，由弥散频率计算土壤含水量；

通过电热丝和热电偶组成土壤热特性测量部分；

通过土壤含水量、热特性数据测量，可根据土壤水热平衡理论自行进行土壤导热率、蒸发量、水饱和度、孔隙率参数计算和计量；

数据采集处理单元有计算机接口和基于无线的数据传输功能，-数据采集处理单元将处理和采集的数据送入计算机，还可以进行进一步分析和运算；-数据采集处理单元含有存储器，能存储至少1周的数据值，系统可以根据需要进行存储容量的扩展。